正交双缝隙型宽带全向圆极化印刷天线的制作方法

本发明涉及正交双缝隙型宽带全向圆极化印刷天线，属于无线电通讯技术领域。

背景技术：

随着无线通信技术的发展，人们对移动终端随时随地进行高效通信的要求也日益上升，这就对其天线的性能提出了更高的要求。得益于中继技术的发展和基站数量的增多，对于无线通信系统中的天线而言，大多数移动终端天线均需要其具有全向辐射特性，因为这样可以保持与周围设备进行实时通信。圆极化天线可以有效接收任意极化来波，防止极化失配，保证收发传输的稳定性。现存的圆极化天线存在频带较窄，增益较小体积较大等缺点。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种正交双缝隙型宽带全向圆极化印刷天线，所采取的技术方案如下：由于圆环形缝隙、垂直金属带条和矩形缝隙的存在，在顶层和底层金属层形成了相同旋向的环形电流分布。由于上下两个电流环对于xoy平面来说是对称存在的，对于xoy平面的辐射而言，可以将其等效为一个位于xoy面的电流环；之后再将长探针等效成短单极子。根据电流环和位于其中心位置并垂直于其所在平面的短单极子组合的模型实现水平全向圆极化的基本原理，可知该天线的θ₁＝θ₂＝0，其中，θ₁表示该天线组合在俯仰角θ＝θ₁处实现了标准的圆极化辐射，θ₂表示该天线组合在俯仰角θ＝θ₂处达到了全向辐射的最大增益。这就可以合理地解释该天线水平全向圆极化辐射。该天线为了实现频带展宽，综合利用了四种宽频带技术手段，这四种技术手段分别为增大介质基片厚度、降低介质基片介电常数、贴片上开曲流缝隙和长探针圆环形缝隙补偿馈电技术。通过理论分析，厚介质基片和低介电常数介质基片展宽该天线带宽，贴片上开曲流缝隙和圆环形缝隙补偿长探针馈电技术实现频带拓宽。

所述印刷天线包括上层介质基板1、下层介质基板2、上层金属贴片11和下层金属贴片21；所述上层介质基板1通过垂直金属带条a平行固定于下层介质基板2上；所述上层金属贴片11印刷在上层介质基板1；所述下层金属贴片21印刷在下层介质基板21上；所述上层金属贴片11和下层金属贴片21上均设有8个矩形缝隙；所述上层金属贴片11的8个矩形缝隙与所述下层金属贴片21的8个矩形缝隙的尺寸和排布完全相同；所述上层金属贴片11与下层金属贴片21以中心位置的Z轴方向为对称轴成90°旋转对称；所述上层金属贴片11的8个矩形缝隙与下层金属贴片21的8个矩形缝隙一一对应保持正交；所述上层金属贴片11的中心设有圆环形缝隙11a，并且在圆环中心位置设有同轴长馈电探针11b。

优选地，所述上层金属贴片11的8个矩形缝隙分别为上层第一缝隙111、上层第二缝隙112、上层第三缝隙113、上层第四缝隙114、上层第五缝隙115、上层第六缝隙116、上层第七缝隙117和上层第八缝隙118；所述上层第一缝隙111和上层第二缝隙112相互平行，并均与上层金属贴片11正面的上侧边缘垂直；所述上层第三缝隙113和上层第四缝隙114相互平行，并均与上层金属贴片11正面的右侧边缘垂直；所述上层第五缝隙115和上层第六缝隙116相互平行，并均与上层金属贴片11正面的下侧边缘垂直；所述上层第七缝隙117和上层第八缝隙118相互平行，并均与上层金属贴片11正面的左侧边缘垂直；所述下层金属贴片21的8个矩形缝隙分别为下层第一缝隙211、下层第二缝隙212、下层第三缝隙213、下层第四缝隙214、下层第五缝隙215、下层第六缝隙216、下层第七缝隙217和下层第八缝隙218；所述下层第一缝隙211和下层第二缝隙212相互平行，并均与下层金属贴片21正面的上侧边缘垂直；所述下层第三缝隙213和下层第四缝隙214相互平行，并均与下层金属贴片21正面的右侧边缘垂直；所述下层第五缝隙215和下层第六缝隙216相互平行，并均与下层金属贴片21正面的下侧边缘垂直；所述下层第七缝隙217和下层第八缝隙218相互平行，并均与下层金属贴片21正面的左侧边缘垂直。

优选地，所述上层第一缝隙111、上层第三缝隙113、上层第五缝隙115和上层第七缝隙117的尺寸规格相同；所述上层第二缝隙112、上层第四缝隙114、上层第六缝缝隙116和上层第八缝隙118的尺寸规格相同；所述上层第一缝隙111的缝宽为1.8mm，长度为14.2mm；所述上层第二缝隙112的缝宽为1.8mm，长度为17.1mm。

优选地，所述下层第一缝隙211、下层第三缝隙213、下层第五缝隙215和下层第七缝隙217的尺寸规格相同；所述下层第二缝隙212、下层第四缝隙214、下层第六缝缝隙216和下层第八缝隙218的尺寸规格相同；所述下层第一缝隙211的缝宽为1.8mm，长度为14.2mm；所述下层第二缝隙212的缝宽为1.8mm，长度为17.1mm。

优选地，所述上层第一缝隙111与上层第二缝隙112的缝中心间距、上层第三缝隙113与上层第四缝隙114的缝中心间距、上层第五缝隙115与上层第六缝隙116的缝中心间距、上层第七缝隙117与上层第八缝隙118的缝中心间距均为9.6mm。

优选地，所述下层第一缝隙111与下层第二缝隙112的缝中心间距、下层第三缝隙113与下层第四缝隙114的缝中心间距、下层第五缝隙115与下层第六缝隙116的缝中心间距、下层第七缝隙117与下层第八缝隙118的缝中心间距均为9.6mm。

优选地，所述上层介质基板1和下层介质基板2均采用边长为40mm的正方形基板；所述上层介质基板1和下层介质基板2之间的高度距离为8mm；所述垂直金属带条a的宽度为8mm；所述圆环形缝隙11a的内径为2.7mm，外径为4.7mm。

优选地，所述正方形基板采用厚度为3mm，介电常数为4.4，介质损耗角正切0.02的FR4环氧板。

本发明有益效果：

(1)工作频率范围：2.2GHz～2.6GHz；

(2)反射系数|S₁₁|≤-10dB；

(3)全向右旋圆极化辐射，轴比AR≤3dB；

(4)方向图不圆度≤2dB；

(5)增益G≥3dBi。

本发明提出的正交双缝隙型宽带全向圆极化印刷天线在|S₁₁|<-10dB时的频带宽度BW_Z为2.19GHz～2.67GHz(480MHz)，相对带宽为20％。在轴比AR<3dB时的频带宽度BW_AR为2.00GHz～2.60GHz(600MHz)，相对带宽为25％。该天线的AR-|S₁₁|带宽为2.19GHz～2.60GHz(410MHz)，相对带宽为17.1％。该天线在水平面上具有全向辐射特性。该天线的方向图水平面不圆度在0.2dB左右，方向图在水平面上有良好全向特性，并且增益在水平面上也达到最大。该天线可用于S波段卫星导航、移动通信等方面。

附图说明

图1为本发明所述正交双缝隙型宽带全向圆极化印刷天线的结构示意图；

图2为本发明所述上层金属贴片的正面结构示意图；

图3为本发明所述下层金属贴片的正面结构示意图；

(1、上层介质基板；2，下层介质基板；11，上层金属贴片；21，下层金属贴片；a，垂直金属带条；11a，圆环形缝隙；11b，同轴长馈电探针；111，上层第一缝隙；112，上层第二缝隙；113，上层第三缝隙；114，上层第四缝隙；115，上层第五缝隙；116，上层第六缝隙；117，上层第七缝隙；118，上层第八缝隙；211，下层第一缝隙；212，下层第二缝隙；213，下层第三缝隙；214，下层第四缝隙；215，下层第五缝隙；216，下层第六缝隙；217，下层第七缝隙；218，下层第八缝隙)

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

图1为本发明所述正交双缝隙型宽带全向圆极化印刷天线的结构示意图；如图1所示，该印刷天线包括包括上层介质基板1、下层介质基板2、上层金属贴片11和下层金属贴片21；上层介质基板1通过四个垂直金属带条a平行固定于下层介质基板2上；其中，四个垂直金属带条a分别固定于下层介质基板2的四个边缘处。上层介质基板1、下层介质基板2为正方形基板，上层金属贴片11和下层金属贴片21为尺寸与对应的基板相同的正方形金属贴片。上层金属贴片11印刷在上层介质基板1；下层金属贴片21印刷在下层介质基板21上；上层金属贴片11和下层金属贴片21上均设有8个矩形缝隙；上层金属贴片11的8个矩形缝隙与所述下层金属贴片21的8个矩形缝隙的尺寸和排布完全相同；上层金属贴片11与下层金属贴片21以中心位置的Z轴方向为对称轴成90°旋转对称；上层金属贴片11的8个矩形缝隙与下层金属贴片21的8个矩形缝隙一一对应保持正交；上层金属贴片11的中心设有圆环形缝隙11a，并且在圆环中心位置设有同轴长馈电探针11b。

图2为本发明所述上层金属贴片的正面结构示意图；如图2所示，上层金属贴片11的8个矩形缝隙分别为上层第一缝隙111、上层第二缝隙112、上层第三缝隙113、上层第四缝隙114、上层第五缝隙115、上层第六缝隙116、上层第七缝隙117和上层第八缝隙118；上层第一缝隙111和上层第二缝隙112相互平行，并均与上层金属贴片11正面的上侧边缘垂直；上层第三缝隙113和上层第四缝隙114相互平行，并均与上层金属贴片11正面的右侧边缘垂直；上层第五缝隙115和上层第六缝隙116相互平行，并均与上层金属贴片11正面的下侧边缘垂直；上层第七缝隙117和上层第八缝隙118相互平行，并均与上层金属贴片11正面的左侧边缘垂直。

图3为本发明所述下层金属贴片的正面结构示意图；如图3所示，下层金属贴片21的8个矩形缝隙分别为下层第一缝隙211、下层第二缝隙212、下层第三缝隙213、下层第四缝隙214、下层第五缝隙215、下层第六缝隙216、下层第七缝隙217和下层第八缝隙218；下层第一缝隙211和下层第二缝隙212相互平行，并均与下层金属贴片21正面的上侧边缘垂直；下层第三缝隙213和下层第四缝隙214相互平行，并均与下层金属贴片21正面的右侧边缘垂直；下层第五缝隙215和下层第六缝隙216相互平行，并均与下层金属贴片21正面的下侧边缘垂直；下层第七缝隙217和下层第八缝隙218相互平行，并均与下层金属贴片21正面的左侧边缘垂直。

上层第一缝隙111、上层第三缝隙113、上层第五缝隙115和上层第七缝隙117尺寸规格相同，为短矩形缝隙；上层第二缝隙112、上层第四缝隙114、上层第六缝缝隙116和上层第八缝隙118的尺寸规格相同，为长矩形缝隙；上层第一缝隙111的缝宽为1.8mm，长度为14.2mm；上层第二缝隙112的缝宽为1.8mm，长度为17.1mm。下层第一缝隙211、下层第三缝隙213、下层第五缝隙215和下层第七缝隙217的尺寸规格相同，为短矩形缝隙；下层第二缝隙212、下层第四缝隙214、下层第六缝缝隙216和下层第八缝隙218的尺寸规格相同，为长矩形缝隙；下层第一缝隙211的缝宽为1.8mm，长度为14.2mm；下层第二缝隙212的缝宽为1.8mm，长度为17.1mm。上层第一缝隙111与上层第二缝隙112的缝中心间距、上层第三缝隙113与上层第四缝隙114的缝中心间距、上层第五缝隙115与上层第六缝隙116的缝中心间距、上层第七缝隙117与上层第八缝隙118的缝中心间距均为9.6mm。下层第一缝隙111与下层第二缝隙112的缝中心间距、下层第三缝隙113与下层第四缝隙114的缝中心间距、下层第五缝隙115与下层第六缝隙116的缝中心间距、下层第七缝隙117与下层第八缝隙118的缝中心间距均为9.6mm。上层介质基板1和下层介质基板2均采用边长为40mm的正方形基板；所述上层介质基板1和下层介质基板2之间的高度距离为8mm；垂直金属带条a的宽度为8mm；所述圆环形缝隙11a的内径为2.7mm，外径为4.7mm。正方形基板采用厚度为3mm，介电常数为4.4，介质损耗角正切0.02的FR4环氧板。本发明提出的正交双缝隙型宽带全向圆极化印刷天线的各部分尺寸数据如表1所示。

表1天线的结构参数(mm)

其中，A表示正方形基板的边长；W表示垂直金属带条a的宽度；H表示垂直金属带条a的高度；l₁为短矩形缝隙的长度；l₂为长矩形缝隙的长度；d₁为短矩形缝隙中心距正方形边长中心点的距离；d₂为长矩形缝隙中心距正方形边长中心点的距离；W₁表示所有缝隙的宽度；R_in为圆环形缝隙的内径；R_out为圆环形缝隙的外径。

由于圆环形缝隙、垂直金属带条和矩形缝隙的存在，在顶层和底层金属层形成了相同旋向的环形电流分布。由于上下两个电流环对于xoy平面来说是对称存在的，对于xoy平面的辐射而言，可以将其等效为一个位于xoy面的电流环；之后再将长探针等效成短单极子。根据电流环和位于其中心位置并垂直于其所在平面的短单极子组合的模型实现水平全向圆极化的基本原理，可知该天线的θ₁＝θ₂＝0，就可以合理地解释该天线水平全向圆极化辐射。该天线为了实现频带展宽，综合利用了四种宽频带技术手段，这四种技术手段分别为增大介质基片厚度、降低介质基片介电常数、贴片上开曲流缝隙和长探针圆环形缝隙补偿馈电技术。通过理论分析，厚介质基片和低介电常数介质基片展宽该天线带宽，贴片上开曲流缝隙和圆环形缝隙补偿长探针馈电技术实现频带拓宽。

本发明提出的正交双缝隙型宽带全向圆极化印刷天线在|S₁₁|<-10dB时的频带宽度BW_Z为2.19GHz～2.67GHz(480MHz)，相对带宽为20％。在轴比AR<3dB时的频带宽度BW_AR为2.00GHz～2.60GHz(600MHz)，相对带宽为25％。该天线的AR-|S₁₁|带宽为2.19GHz～2.60GHz(410MHz)，相对带宽为17.1％。该天线在水平面上具有全向辐射特性。该天线的方向图水平面不圆度在0.2dB左右，方向图在水平面上有良好全向特性，并且增益在水平面上也达到最大。该天线可用于S波段卫星导航、移动通信等方面。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。